KR101487543B1 - Adsorption materials of carbon dioxide using cross-linking reaction of amine and its application. - Google Patents

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Abstract

완전 유기계 이산화탄소 흡착제 제조 방법을 제시한다. 이를 구현하기 위한 방법으로 다관능성 에폭시를 아민의 경화제로 이용하여 아민 사슬 내의 일부 -NH2,-NH 작용기를 개환 반응시켜 액상 또는 고점성의 액체 형태인 아민을 부분 경화시킴으로써 고체형태의 이산화탄소 흡착 소재를 제조한다.
이산화탄소 흡착 성능의 향상 및 최적화를 위해서 아민의 종류, 구조, 분자량 등의 변화와 다양한 경화제와의 혼합 비율을 조절하여 경화도 조절 및 이산화탄소 흡착량 극대화 등이 가능하다.
본원 발명은 새로운 개념의 건식흡착제의 합성에 관한 기술로 제조 공정이 단순하고 단가가 낮으면서도 높은 이산화탄소 흡착능을 갖는 건식 흡착제를 제공한다.
또한, 메조기공 실리카와 같은 담체가 요구되지 않고 아민을 가교반응 시킴으로써 물과 유기 용매에 전혀 녹지 않아 용출되는 문제가 없으며, 상용고분자와의 블렌딩, 압출, 사출 성형 등이 가능한 이산화탄소 흡착 소재의 제조가 가능하여 종래의 흡착제의 문제점을 모두 극복할 수 있다.
A method for producing a completely organic carbon dioxide adsorbent is presented. As a method for realizing this, a polyfunctional epoxy is used as a curing agent for an amine, and a part of the -NH 2 and -NH functional groups in the amine chain are subjected to a ring opening reaction to partially cure the amine in a liquid or high viscosity liquid form, .
In order to improve and optimize the carbon dioxide adsorption performance, it is possible to control the degree of curing and maximize the amount of carbon dioxide adsorption by adjusting the kind of amine, structure, molecular weight, etc. and mixing ratio with various curing agents.
The present invention provides a dry adsorbent having a simple carbon dioxide adsorption ability while having a simple manufacturing process and a low unit cost by a technique related to the synthesis of a new concept of dry adsorbent.
In addition, a carrier such as mesoporous silica is not required, and crosslinking reaction of amines is not required. Therefore, there is no problem of dissolving in water and organic solvent and not eluting. Production of carbon dioxide adsorbing material capable of blending with commercial polymers, extrusion, It is possible to overcome all the problems of the conventional adsorbent.

Description

아민의 가교반응을 이용한 이산화탄소 흡착 소재 및 그 활용.{ADSORPTION MATERIALS OF CARBON DIOXIDE USING CROSS-LINKING REACTION OF AMINE AND ITS APPLICATION.}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a carbon dioxide adsorbing material using amine crosslinking reaction,

이산화탄소 흡작제로 사용될 수 있는 소재 및 그 활용에 관한 것으로서, 유동성 아민(amine) 고분자 체인과 에폭시 작용기를 가진 경화제(Crosslinker)가 상호 반응을 통해 3차원 네트워크 구조의 경화된 아민(amine) 고분자를 형성하는 기술을 이용한다. The present invention relates to a material which can be used as a carbon dioxide adsorbent and a method of using the same, wherein a fluid amine chain and a crosslinker having an epoxy functional group form a cured amine polymer of a three-dimensional network structure through mutual reaction Technology.

이산화탄소(CO2)는 대표적인 온실가스로 화력발전소 등과 같이 이산화탄소를 대량 배출하는 플랜트(plant)에 이산화탄소를 제거 및 회수하는 곳에 필요하다. 또한, 이산화탄소 농도를 일정 수준 이하로 유지해야 하는 실내, 지하, 자동차 내부 등에도 호흡을 통한 이산화탄소 제거에 필요할 것이다. Carbon dioxide (CO 2 ) is a typical greenhouse gas and is needed for removing and recovering carbon dioxide from a plant that discharges a large amount of carbon dioxide, such as thermal power plants. In addition, it will be necessary to remove carbon dioxide through breathing in indoor, underground, and automobile interior where carbon dioxide concentration should be kept below a certain level.

이외에도, 하수 처리장, 쓰레기 매립지 등에서 발생하는 바이오가스에서 30 vol%의 이산화탄소가 발생하므로, 바이오가스에서 고순도의 메탄가스를 정제할 시에도 고성능의 이산화탄소 흡수제가 필수적이다. In addition, since 30 vol% of carbon dioxide is generated from the biogas generated in the sewage treatment plant and the landfill, high-performance carbon dioxide absorbent is essential to purify methane gas of high purity from the biogas.

산업화시대 이후 화석연료 사용증대에 따른 지구상의 온실가스 농도는 빠르게 증가하고 있다. 지구대기의 온실가스 농도는 이산화탄소로 환산하였을 경우 450 CO2 eq. ppm이며, 이산화탄소 농도는 약 375 ppm으로 지난 100년간 약 35% 증가한 것으로 나타나 있으며, 매년 약 0.4% 이상의 가파른 상승을 보이고 있다. Since the era of industrialization, the concentration of greenhouse gases on the earth has increased rapidly due to the increase in the use of fossil fuels. The greenhouse gas concentration of the Earth's atmosphere is 450 CO 2 eq. ppm, and the carbon dioxide concentration is about 375 ppm, which is about 35% increase over the past 100 years, showing a steep rise of about 0.4% per year.

기후변화협약대응 온실가스저감 기술개발 분야는 온실가스 중 대부분을 차지하고 있으며 제어 가능한 이산화탄소 저감에 집중하고 있다. 이산화탄소를 저감할 수 있는 방법 중 이산화탄소 회수 및 저장(CCS: Carbon Dioxide Capture and Storage)을 통하여 약 22%의 이산화탄소를 저감할 수 있을 것으로 국제에너지기구(International Energy Agency, IEA)는 예상하고 있다. CCS기술 중 이산화탄소를 회수하는 비용이 전체의 약 75 내지 85%를 차지하고 있어 보다 경제적인 공정개발이 필요한 상태이다. 발전소 등의 연소 배가스에 포함된 저농도 이산화탄소를 제거 처리하는 공정을 연소후 공정이라 하며, 크게 습식 흡수법과 건식 흡착법으로 나뉜다.Corresponding to the Convention on Climate Change The field of greenhouse gas abatement technology development is mostly in the greenhouse gas sector and focuses on controllable carbon dioxide reduction. The International Energy Agency (IEA) predicts that carbon dioxide capture and storage (CCS) can reduce carbon dioxide by about 22%, a way to reduce carbon dioxide. The cost of recovering carbon dioxide in the CCS technology accounts for about 75 to 85% of the total, which requires more economical process development. The process of removing low-concentration carbon dioxide contained in the combustion exhaust gas from a power plant is called a post-combustion process. The process is divided into a wet absorption method and a dry adsorption method.

기존 이산화탄소 회수법에는 흡수법과 흡착법, 막분리법 등이 있으며, 공업적으로는 흡수법을 가장 널리 사용된다. Conventional carbon dioxide recovery methods include absorption method, adsorption method, membrane separation method, and industrially, absorption method is most widely used.

습식회수법은 흡수용액의 주기적인 보충이 요구될 뿐만 아니라 설비부식 및 이차 오염물의 생성 등 유지보수를 위한 많은 노력이 필요하다. Wet recovery requires not only periodic replenishment of the absorption solution but also much effort for maintenance such as erosion of the equipment and generation of secondary pollutants.

막분리법은 구성기체 성분의 투과도 및 선택도를 이용하는 것으로서 혼합가스 중의 이산화탄소를 선택적으로 통과시켜 분리하는 방법으로 면적이 넓은 분리막의 개발, 분리막의 선택도 및 내구성 향상 등 몇 가지 문제점만 해결된다면 가장 효율적인 방법이나, 아직까지 매우 미흡한 실정이다. The membrane separation method utilizes the permeability and selectivity of the constituent gas components and selectively separates the carbon dioxide in the mixed gas. By solving only a few problems such as the development of a wide separation membrane, the selectivity of the membrane and the improvement of durability, However, the method is still very inadequate.

건식흡착방법은 유체의 압력손실이 적으며 장치를 콤팩트하게 구성할 수 있기 때문에 경제적인 이산화탄소 회수공정이 실현될 수 있다. 또한, 흡착법은 흡수법에 비하여 에너지 소모가 크나, 비교적 장치가 간단하고, 건식으로 주변환경에 미치는 영향이 적다.  Since the dry adsorption method has a low pressure loss of the fluid and can constitute the apparatus compact, an economical carbon dioxide recovery process can be realized. In addition, the absorption method has a higher energy consumption than the absorption method, but the apparatus is relatively simple and has little influence on the surrounding environment by the dry method.

공개 특허 제 2013-0047256 호는 건식 이산화탄소 포집 공정용 아민 또는 그 화합물을 포함하는 고체 이산화탄소 흡수제 및 그 제조방법에 관한 것으로 흡수반응기와 재생반응기로 구성된 건식 포집공정에 적용되는 고체 흡수제는 흡수반응기와 재생반응기를 연속적으로 순환하는 과정에서 CO2흡수능(sorption capacity)이 높고 반응속도(sorption rate)가 빠르며, 배가스 또는 가스 기류조건에 부합되며, 저 농도까지 CO2를 제거할 수 있고, 포집된 CO2는 재생과정에서 고순도 CO2로 분리할 수 있는 조건을 만족시킨다. 또한, 고체 흡수제는 두 반응기 사이를 순환하는 과정에서 입자간 충돌, 마찰, 파손 또는 균열 등의 물리적 마모와 화학반응에 따른 부피 팽창 및 수축으로 인한 화학적 마모 손실이 적은 특성을 보유해야하는 특성을 만족시키기 위해 분무건조 성형법을 이용하여 흡수제의 물리 화학적 요구조건을 만족할 수 있는 다공성 담지체를 제조하고 아민화합물을 담지체에 담지한 흡수제를 제조한다. 이산화탄소 흡수제 제조 방법은 지지체와 무기결합제를 함유하는 담지체 조성물 및 용매를 포함하는 슬러리 조성물을 제조하는 단계, 상기 제조된 슬러리 조성물을 분무 건조시켜 고체 입자를 제조하는 단계, 상기 제조된 고체 입자를 건조 소성시켜 담지체를 제조하는 단계, 상기 제조된 담지체의 세공에 아민화합물을 담지시키는 단계를 포함한다. 그러나, 종래의 건식흡착제의 문제점인 이산화탄소를 선택적으로 흡착하기 어려운 점, 메조기공실리카 담체와 아민 사이에 화학적 결합이 없어 아민이 용출되는 현상이 발생하는 점 등을 극복에 대한 필요성은 여전히 남이 있다.Laid-Open Patent Application No. 2013-0047256 relates to a solid carbon dioxide absorbent containing amine or a compound thereof for dry carbon dioxide capture process and a method for producing the solid carbon dioxide absorbent, and a solid absorbent applied to a dry- In the process of continuously circulating the reactor, the sorption capacity is high, the sorption rate is fast, the exhaust gas or gas stream conditions are met, the CO2 can be removed to a low concentration, To high purity CO2. In addition, the solid absorbent satisfies the characteristics of having physical abrasion such as inter-particle collision, friction, breakage or cracking in the process of circulating between two reactors, and chemical abrasion loss due to volume expansion and shrinkage due to chemical reaction A porous carrier capable of satisfying the physicochemical requirements of the absorbent is prepared by using a spray-drying method, and an absorbent on which the amine compound is supported on the carrier is prepared. A method for producing a carbon dioxide absorbent comprises the steps of: preparing a slurry composition comprising a support composition and a solvent containing a support and an inorganic binder; spray-drying the slurry composition to prepare solid particles; Calcining the resultant to form a carrier, and supporting the amine compound on the pores of the carrier. However, there is still a need to overcome the problem of difficulty in selectively adsorbing carbon dioxide, which is a problem of the conventional dry adsorbent, and the phenomenon that the amine is eluted because there is no chemical bond between mesoporous silica carrier and amine.

이산화탄소의 건식흡착제로는 알루미나, 실리카 겔, 활성탄, 제올라이트 등과 같은 기공을 이용한 흡착제를 이용하였으나, 이와 같은 건식흡착제는 이산화탄소를 선택적으로 흡착하기 어려움이 있다. As a dry adsorbent of carbon dioxide, an adsorbent using pores such as alumina, silica gel, activated carbon, zeolite and the like is used, but such a dry adsorbent has difficulty in selectively adsorbing carbon dioxide.

이러한 문제점을 극복하기 위하여 신공정으로 제조되는 건식흡착제로는 이산화탄소만을 선택적으로 화학흡착하는 아민을 메조기공실리카(기공크기: 2 내지 50nm) 담체에 함침하여 제조되는데, 이와 같은 흡착제는 이산화탄소 흡착능이 매우 높으나(3 mmol CO2/g -sorbent 이상), 메조기공실리카의 제조 공정이 까다롭고, 메조기공실리카 제조 시, 다량의 계면활성제(surfactant)를 하소(calcination)하여 이산화탄소를 발생하는 모순이 발생한다. In order to overcome this problem, a dry adsorbent manufactured by a new process is prepared by impregnating a mesoporous silica (pore size: 2 to 50 nm) carrier with an amine selectively chemically adsorbing only carbon dioxide. The adsorbent has a very high ability to adsorb carbon dioxide (3 mmol CO2 / g-sorbent or more), the production process of mesoporous silica is difficult, and a large amount of surfactant is calcined in the production of mesoporous silica to generate carbon dioxide.

또한, 메조기공실리카 담체를 이용한 이산화탄소 흡착 소재에 사용된 아민은 화학적 결합 없이 단순한 물리적 함침이므로 유기용매에 녹아 용출되며, 시간이 지남에 따라 아민이 담체의 기공 밖으로 흘러나오는 현상이 발생한다. In addition, the amine used in the carbon dioxide adsorbing material using the mesoporous silica carrier is a simple physical impregnation without chemical bonding, so that it dissolves in the organic solvent, and the amine flows out of the pores of the carrier over time.

이로 인해 상기 흡착 소재는 상용고분자와의 블렌딩, 압출, 사출 등이 불가능하여 원하는 형태로의 성형이 불가능한 문제점이 있다. As a result, the adsorbent material can not be blended, extruded, or injected with a commercial polymer, and thus can not be formed into a desired shape.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 본원 발명에서는 메조기공실리카, 흄드실리카, 실리카 입자 등의 담체가 완전히 배제된 완전 유기계 이산화탄소 흡착제 제조 방법을 제시한다. In order to solve such problems, the present invention proposes a method of manufacturing a completely organic carbon dioxide adsorbent in which carriers such as mesoporous silica, fumed silica and silica particles are completely excluded.

이를 구현하기 위한 방법으로 다관능성 에폭시를 아민의 경화제로 도입한다. 다관능성 에폭시를 이용하여 아민 사슬 내의 일부 -NH2,-NH 작용기를 개환 반응시켜 액상 또는 고점성의 액체 형태인 아민을 부분 경화시킴으로써 고체형태의 이산화탄소 흡착 소재를 제조할 수 있다. As a method for realizing this, a multifunctional epoxy is introduced as a curing agent for an amine. A solid carbon dioxide adsorbing material can be prepared by partially hydrogenating a liquid or highly viscous amine in a ring-opening reaction of some of the -NH 2 and -NH functional groups in the amine chain using the polyfunctional epoxy.

이산화탄소 흡착 성능의 향상 및 최적화를 위해서 아민의 종류, 구조, 분자량 등의 변화와 다양한 경화제와의 혼합 비율을 조절하여 경화도 조절 및 이산화탄소 흡착량 극대화 등이 가능하다.In order to improve and optimize the carbon dioxide adsorption performance, it is possible to control the degree of curing and maximize the amount of carbon dioxide adsorption by adjusting the kind of amine, structure, molecular weight, etc. and mixing ratio with various curing agents.

본 발명에 적용가능한 아민으로는 R1-NH2, R1-N(R2)H, R1-N(R2)-R3 중의 적어도 어느 하나 이상의 작용기가 함유된 모든 종류의 아민류의 사용이 가능하다. Examples of amines applicable to the present invention include the use of all kinds of amines containing at least one functional group of R 1 -NH 2 , R 1 -N (R 2 ) H and R 1 -N (R 2 ) -R 3 This is possible.

이산화탄소 흡착 소재를 합성하는데 있어서 다양한 방법에는 용매를 이용하여 아민과 다관능성 에폭시를 메탄올에 용해시켜 혼합한 후 혼합 용액의 온도를 80℃ 이상으로 상승시켜 줌으로써 가교화 반응을 진행하는 방법이 있다. Various methods for synthesizing a carbon dioxide adsorbing material include a method of dissolving an amine and a polyfunctional epoxy in methanol using a solvent, and then increasing the temperature of the mixed solution to 80 ° C or higher to proceed the crosslinking reaction.

이 반응의 장점은 메탄올에 의해 모든 물질이 균일하게 혼합되어 일정하고 균등한 가교 반응을 시킬 수 있다. The advantage of this reaction is that all materials can be homogeneously mixed with methanol to give a uniform and even crosslinking reaction.

이와는 달리 용매를 사용하지 않고 벌크 상태에서의 가교반응 또한 가능하며 이방법에는 용기에 모든 물질을 넣고 혼합한 후 오븐에서 온도를 상승시켜 가교를 진행하는 배치타입도 적용하는 것이 가능하다. Alternatively, it is possible to perform a crosslinking reaction in a bulk state without using a solvent. In this method, it is also possible to apply a batch type in which all materials are put into a container and mixed and the temperature is raised in the oven to perform crosslinking.

또한, 트윈익스트루더(twin extruder)를 이용하여 소재를 일정 비율로 연속적으로 투입하여 가교 반응하여 마스터배치 형태로 제작하는 두 가지 방식이 모두 가능하다.In addition, both of the twin extruders can be used to form a master batch by continuously feeding a material at a constant rate and performing a crosslinking reaction.

본원 발명은 새로운 개념의 건식흡착제의 합성에 관한 기술로 제조 공정이 단순하고 단가가 낮으면서도 2 mmol CO2/g-sorbent 이상의 이산화탄소 흡착능을 갖는 건식 흡착제를 제공한다. The present invention provides a dry adsorbent having a carbon dioxide adsorption capacity of 2 mmol CO 2 / g-sorbent with a simple manufacturing process and a low unit cost, which is related to the synthesis of a new concept of dry adsorbent.

또한, 메조기공 실리카와 같은 담체가 요구되지 않고 아민을 가교반응 시킴으로써 물과 유기 용매에 전혀 녹지 않아 용출되는 문제가 없으며, 상용고분자와의 블렌딩, 압출, 사출 성형 등이 가능한 이산화탄소 흡착 소재의 제조가 가능하여 종래의 흡착제의 문제점을 모두 극복할 수 있다. In addition, a carrier such as mesoporous silica is not required, and crosslinking reaction of amines is not required. Therefore, there is no problem of dissolving in water and organic solvent and not eluting. Production of carbon dioxide adsorbing material capable of blending with commercial polymers, extrusion, It is possible to overcome all the problems of the conventional adsorbent.

도 1은 종래의 건식흡착제 제조 공정을 나타낸다.
도 2는 본원 발명의 실시 예에 의한 이산화탄소 흡착 기능이 있는 아민류를 나타낸다.
도 3은 본원 발명의 실시 예에 의한 아민 흡착제의 다양한 경화제를 나타낸다.
도 4은 본원 발명의 실시 예에 의한 아민 흡착제를 경화하여 제조되는 완전 유기계 이산화탄소 흡착제 제조 모식도를 나타낸다.
도 5는 본원 발명의 실시 예에 의한 PEI 10K, PEGDE 및 Crosslinked PEI(C-PEI)의 FTIR 스펙트럼을 나타낸다.
도 6는본원 발명의 실시 예에 의한 Crosslinked PEI(C-PEI)의 TEM 사진 (A) Crosslinked PEI(C-PEI)(1:3), (B) Crosslinked PEI(C-PEI)(1:6)를 나타낸다.
도 7은 본원 발명의 실시 예에 의한 Crosslinked PEI(C-PEI)(1:6)의 SEM을 나타낸다.
도 8은 본원 발명의 실시 예에 의한 75 ℃에서의 Crosslinked PEI(C-PEI) 1:2, 1:3 및 1:6에 대한 이산화탄소 흡착 곡선을 나타낸다.
도 9은 본원 발명의 실시 예에 의한 35 ℃에서의 Crosslinked PEI(C-PEI) 1:3, 1:6에 대한 이산화탄소 흡착 곡선을 나타낸다.
도 10은 본원 발명의 실시 예에 의한 트윈익스트루더(twin extruder) 공정 모식도를 나타낸다.
도 11은 본원 발명의 실시 예에 의한 마스터배치의 디지털사진을 나타낸다.
도 12는 본원 발명의 실시 예에 의한 아민(amine)의 가교 반응을 이용한 이산화탄소(CO2) 흡착 소재 제조 방법을 나타낸다.
도 13은 본원 발명의 다른 실시 예에 의한 아민(amine)의 가교 반응을 이용한 이산화탄소(CO2) 흡착 소재 제조 방법을 나타낸다.
Figure 1 shows a conventional dry adsorbent manufacturing process.
2 shows amines having a carbon dioxide adsorption function according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 shows various curing agents for amine adsorbents according to embodiments of the present invention.
FIG. 4 is a schematic view of a completely organic-based carbon dioxide adsorbent manufactured by curing an amine adsorbent according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 shows the FTIR spectra of PEI 10K, PEGDE and Crosslinked PEI (C-PEI) according to embodiments of the present invention.
6 is a TEM photograph (A) of Crosslinked PEI (C-PEI) according to an embodiment of the present invention. Crosslinked PEI (C-PEI) (1: 3) ).
7 shows a SEM of Crosslinked PEI (C-PEI) (1: 6) according to an embodiment of the present invention.
8 shows carbon dioxide adsorption curves for Crosslinked PEI (C-PEI) 1: 2, 1: 3 and 1: 6 at 75 ° C according to an embodiment of the present invention.
9 shows carbon dioxide adsorption curves for Crosslinked PEI (C-PEI) 1: 3, 1: 6 at 35 ° C according to an embodiment of the present invention.
10 is a schematic diagram of a twin extruder process according to an embodiment of the present invention.
11 shows a digital photograph of a master batch according to an embodiment of the present invention.
12 shows a method for producing carbon dioxide (CO 2 ) adsorbing material using a crosslinking reaction of an amine according to an embodiment of the present invention.
FIG. 13 shows a method for producing a carbon dioxide (CO 2 ) adsorbing material using a crosslinking reaction of an amine according to another embodiment of the present invention.

도 1은 종래의 건식흡착제 제조 공정을 나타낸다. Figure 1 shows a conventional dry adsorbent manufacturing process.

이산화탄소이산화탄소(CO2)의 건식흡착제로는 알루미나, 실리카 겔, 활성탄, 제올라이트 등과 같은 기공을 이용한 흡착제를 이용하였으나, 이와 같은 건식흡착제는 이산화탄소를 선택적으로 흡착하기 어려움이 있다. As the dry adsorbent of carbon dioxide carbon dioxide (CO 2 ), pore-based adsorbents such as alumina, silica gel, activated carbon, zeolite and the like are used. However, such dry adsorbents have difficulty in selectively adsorbing carbon dioxide.

이러한 문제점을 극복하기 위하여 신공정으로 제조되는 건식흡착제로는 이산화탄소만을 선택적으로 화학흡착하는 아민을 메조기공실리카(기공크기: 2 내지 50nm) 담체에 함침하여 제조되는데, 이와 같은 흡착제는 이산화탄소 흡착능이 매우 높으나(3 mmol CO2/g -sorbent 이상), 메조기공실리카의 제조 공정이 까다롭고, 메조기공실리카 제조 시, 다량의 계면활성제(surfactant)를 하소(calcination)하여 이산화탄소를 발생하는 모순이 발생한다. In order to overcome this problem, a dry adsorbent manufactured by a new process is prepared by impregnating a mesoporous silica (pore size: 2 to 50 nm) carrier with an amine selectively chemically adsorbing only carbon dioxide. The adsorbent has a very high ability to adsorb carbon dioxide (3 mmol CO2 / g-sorbent or more), the production process of mesoporous silica is difficult, and a large amount of surfactant is calcined in the production of mesoporous silica to generate carbon dioxide.

또한, 메조기공실리카 담체를 이용한 이산화탄소 흡착 소재에 사용된 아민은 화학적 결합 없이 단순한 물리적 함침이므로 유기용매에 녹아 용출되며, 시간이 지남에 따라 아민이 담체의 기공 밖으로 흘러나오는 현상이 발생한다. In addition, the amine used in the carbon dioxide adsorbing material using the mesoporous silica carrier is a simple physical impregnation without chemical bonding, so that it dissolves in the organic solvent, and the amine flows out of the pores of the carrier over time.

이로 인해 상기 흡착 소재는 상용고분자와의 블렌딩, 압출, 사출 등이 불가능하여 원하는 형태로의 성형이 불가능한 문제점이 있다. As a result, the adsorbent material can not be blended, extruded, or injected with a commercial polymer, and thus can not be formed into a desired shape.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 본원 발명에서는 유동성 아민(amine) 고분자 체인과 에폭시 작용기를 가진 경화제(Crosslinker)가 상호 반응을 통해 3차원 네트워크 구조의 경화된 아민(amine) 고분자가 형성되는 기술을 이용하여 이산화탄소(CO2) 흡착 소재를 제조한다. In order to solve such a problem, in the present invention, by using a technique of forming a cured amine polymer of a three-dimensional network structure through a mutual reaction between a fluid amine chain and a cross linker having an epoxy functional group, (CO 2 ) adsorbent material.

도 12는 본원 발명의 실시 예에 의한 아민(amine)의 가교 반응을 이용한 이산화탄소(CO2) 흡착 소재 제조 방법을 나타낸다. 12 shows a method for producing carbon dioxide (CO 2 ) adsorbing material using a crosslinking reaction of an amine according to an embodiment of the present invention.

아민(amine)의 가교 반응을 이용한 이산화탄소(CO2) 흡착 소재 제조 방법에 있어서, 아민(amine)과 경화제를 준비하는 단계, 상기 아민(amine)과 상기 경화제를 교반하여 혼합을 제조하는 단계, 상기 혼합물을 오븐에 넣고 반응시키는 단계, 상기 반응이 완료된 후 메탄올(methanol)을 이용하여 미반응물을 제거하는 단계, 상기 미반응물이 제거된 반응물을 건조하는 단계를 포함한다. A method for producing a carbon dioxide (CO 2 ) adsorbent material using a crosslinking reaction of an amine, comprising the steps of: preparing an amine and a curing agent; mixing the amine and the curing agent to prepare a mixture; Adding the mixture to an oven and allowing the mixture to react; removing the unreacted material using methanol after completion of the reaction; and drying the unreacted material.

상기 아민(amine)은 R1-NH2과 R1-N(R2)H 및 R1-N(R2)-R3중의 적어도 어느 하나 이상의 작용기가 함유된 아민(amine)류로 Polyethylenimine, Tetraethylenepentamine, Triethylenetetramine, Pentaethylenehexamine 및 Diethylenetriamine 중의 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것인 것이 바람직할 것이나 이에 한정되지 않고 R1-NH2과 R1-N(R2)H 및 R1-N(R2)-R3중의 적어도 어느 하나 이상의 작용기가 함유된 모든 종류의 아민(amine)류를 사용하는 것이 가능할 것이다. The amine is an amine containing at least one functional group selected from the group consisting of R 1 -NH 2 , R 1 -N (R 2 ) H and R 1 -N (R 2 ) -R 3. Polyethylenimine, Tetraethylenepentamine , Triethylenetetramine, pentaethylenehexamine, and diethylenetriamine. R 1 -NH 2 and R 1 -N (R 2 ) H and R 1 -N (R 2 ) -R 3 in it will be possible to use at least any one or more of any type of amine (amine) is a functional group-containing acids.

도 2는 본원 발명의 실시 예에 의한 이산화탄소 흡착 기능이 있는 아민류를 나타낸다.2 shows amines having a carbon dioxide adsorption function according to an embodiment of the present invention.

또한, 상기 경화제는 다관능성 에폭시 물질로 Poly(ethylene glycol)diglycidyl ether, 1,4-Butanediyl diglycidyl ether, 3-[Bis(glycidyloxymethyl)methoxy]-1,2-propanediol, Diglycidyl 1,2-cyclohexanedicarboxylate, Bisphenol A diglycidyl ether, Tris(4-hydroxyphenyl)methane triglycidyl ether 및 Tetra-Functional Epoxy Resin(KDT-4400)의 단분자성 물질, o-Cresol Novolac, Poly(ethylene-co-glycidyl methacrylate) 및 Poly(ethylene-co-methyl acrylate-co-glycidyl methacrylate)의 공중합 고분자 물질 중의 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것이 가능할 것이다. The curing agent may be a polyfunctional epoxy material such as poly (ethylene glycol) diglycidyl ether, 1,4-butanediyl diglycidyl ether, 3- [Bis (glycidyloxymethyl) methoxy] -1,2-propanediol, diglycidyl 1,2-cyclohexanedicarboxylate, (Ethylene-co-glycidyl methacrylate) and poly (ethylene-co-glycidyl methacrylate), which are unicellular substances of A diglycidyl ether, Tris (4-hydroxyphenyl) methane triglycidyl ether and Tetra-Functional Epoxy Resin -methyl acrylate-co-glycidyl methacrylate) copolymerizable polymer material.

도 3은 본원 발명의 실시 예에 의한 아민 흡착제의 다양한 경화제를 나타낸다.Figure 3 shows various curing agents for amine adsorbents according to embodiments of the present invention.

상기 아민(amine)과 경화제를 준비하는 단계, 상기 아민(amine)과 상기 경화제를 교반하여 혼합을 제조하는 단계 사이에 상기 아민(amine)을 유기용매에 용해하고, 상기 경화제를 유기용매에 용해하는 단계를 더 포함하는 것도 가능할 것이다. Preparing an amine and a curing agent; stirring the amine and the curing agent to prepare a mixture; dissolving the amine in an organic solvent; dissolving the curing agent in an organic solvent; It would be possible to further include steps.

상기 아민(amine)과 상기 경화제를 교반하여 혼합물을 제조하는 단계에서, 상기 경화제 : 상기 아민(amine)의 비율은 중량비 1:1 내지 1:20 인 것이 바람직할 것이다. In the step of preparing the mixture by stirring the amine and the curing agent, the ratio of the curing agent: amine may preferably be in a weight ratio of 1: 1 to 1:20.

더욱 바람직한 것은 상기 경화제 : 상기 아민(amine)의 비율은 중량비 1:3내지 1:6 인 것이나, 이에 한정된 것은 아니다. More preferably, the ratio of the curing agent: amine is 1: 3 to 1: 6 by weight, but is not limited thereto.

상기 아민(amine)과 상기 경화제를 교반하여 제조한 상기 혼합물을 오븐에 넣고 반응시키는 단계에서 60 ℃ 내지 120 ℃에서 4 시간 내지 36 시간 반응시키는 것이 바람직할 것이다. It may be preferable to carry out the reaction at 60 ° C to 120 ° C for 4 hours to 36 hours in the step of placing the mixture prepared by stirring the amine and the curing agent into an oven and reacting.

가장 바람직한 것은 80 ℃에서 24 시간 반응시키는 것이나, 이에 한정된 것은 아니다. Most preferably, the reaction is carried out at 80 DEG C for 24 hours, but is not limited thereto.

상기 반응이 완료된 후 메탄올(methanol)을 이용하여 미반응물을 제거하는 단계 후, 상기 미반응물이 제거된 반응물을 건조하는 단계에서 30 ℃ 내지 80 ℃ 의 범위에서 열풍 건조하거나, 1 내지 10-7 torr에서 건조하는 것이 바람직할 것이다. After the completion of the reaction, the unreacted material is removed using methanol, and then dried in a temperature range of 30 ° C to 80 ° C or in a range of 1 to 10 -7 torr ≪ / RTI >

도 13은 본원 발명의 다른 실시 예에 의한 아민(amine)의 가교 반응을 이용한 이산화탄소(CO2) 흡착 소재 제조 방법을 나타낸다. FIG. 13 shows a method for producing a carbon dioxide (CO 2 ) adsorbing material using a crosslinking reaction of an amine according to another embodiment of the present invention.

아민(amine)의 가교 반응을 이용한 이산화탄소(CO2) 흡착 소재를 제조하는 또 다른 방법에 있어서, 아민(amine)과 경화제 및 고분자를 준비하는 단계, 상기 아민(amine)과 상기 경화제를 혼합하여 제 1 혼합물을 제조하는 단계, 상기 제 1 혼합물에 상기 고분자를 더 추가하여 제 2 혼합물을 제조하는 단계, 상기 제 2 혼합물을 트윈익스트루더(twin extruder)로 용융혼합하여 용융혼합물을 제조하는 단계, 상기 용융혼합물을 냉각하여 일정 크기로 잘라 마스터 배치(master batch)를 완성하는 단계를 포함하는 방법도 가능할 것이다. Another method for producing a carbon dioxide (CO 2 ) adsorbent material using a crosslinking reaction of an amine includes the steps of preparing an amine, a curing agent and a polymer, mixing the amine and the curing agent Preparing a second mixture by further adding the polymer to the first mixture, melt mixing the second mixture with a twin extruder to prepare a molten mixture, And a step of cooling the molten mixture to complete the master batch by cutting to a predetermined size.

상기 아민(amine)은 R1-NH2과 R1-N(R2)H 및 R1-N(R2)-R3중의 적어도 어느 하나 이상의 작용기가 함유된 아민(amine)류로 Polyethylenimine, Tetraethylenepentamine, Triethylenetetramine, Pentaethylenehexamine 및 Diethylenetriamine 중의 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것인 것이 가능할 것이나, 이에 한정되지 않고 R1-NH2과 R1-N(R2)H 및 R1-N(R2)-R3중의 적어도 어느 하나 이상의 작용기가 함유된 모든 종류의 아민(amine)류를 사용하는 것이 가능할 것이다. The amine is an amine containing at least one functional group selected from the group consisting of R 1 -NH 2 , R 1 -N (R 2 ) H and R 1 -N (R 2 ) -R 3. Polyethylenimine, Tetraethylenepentamine , Triethylenetetramine, pentaethylenehexamine, and diethylenetriamine, but is not limited thereto. R 1 -NH 2 and R 1 -N (R 2 ) H and R 1 -N (R 2 ) -R 3 in it will be possible to use at least any one or more of any type of amine (amine) is a functional group-containing acids.

또한, 상기 경화제는 다관능성 에폭시 물질로 Poly(ethylene glycol)diglycidyl ether, 1,4-Butanediyl diglycidyl ether, 3-[Bis(glycidyloxymethyl)methoxy]-1,2-propanediol, Diglycidyl 1,2-cyclohexanedicarboxylate, Bisphenol A diglycidyl ether, Tris(4-hydroxyphenyl)methane triglycidyl ether 및 Tetra-Functional Epoxy Resin(KDT-4400)의 단분자성 물질, o-Cresol Novolac, Poly(ethylene-co-glycidyl methacrylate) 및 Poly(ethylene-co-methyl acrylate-co-glycidyl methacrylate)의 공중합 고분자 물질 중의 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것이 바람직할 것이나 이에 한정된 것은 아니다. The curing agent may be a polyfunctional epoxy material such as poly (ethylene glycol) diglycidyl ether, 1,4-butanediyl diglycidyl ether, 3- [Bis (glycidyloxymethyl) methoxy] -1,2-propanediol, diglycidyl 1,2-cyclohexanedicarboxylate, (Ethylene-co-glycidyl methacrylate) and poly (ethylene-co-glycidyl methacrylate), which are unicellular substances of A diglycidyl ether, Tris (4-hydroxyphenyl) methane triglycidyl ether and Tetra-Functional Epoxy Resin -methyl acrylate-co-glycidyl methacrylate), but it is not limited thereto.

상기 고분자는 PP(Polypropylene), HDPE(High Density Polyethylene), LDPE(Low Density Polyethylene) 및 LLDPE(Linear Low Density Polyethylene) 중의 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것이 가능할 것이다. The polymer may include at least one of polypropylene (PP), high density polyethylene (HDPE), low density polyethylene (LDPE) and linear low density polyethylene (LLDPE).

가장 바람직한 것은 PP(Polypropylene), LDPE(Low Density Polyethylene) 중의 적어도 어느 하나 이상을 사용하는 것이나 이에 한정되는 것은 아니다. Most preferably, at least one of PP (polypropylene) and LDPE (low density polyethylene) is used, but the present invention is not limited thereto.

이 외에도 상용고분자 중에서 선택하여 사용하는 것도 가능할 것이다. In addition to this, it is also possible to select from commercially available polymers.

상기 아민(amine)과 상기 경화제를 혼합하여 제 1 혼합물을 제조하는 단계에 있어서, 상기 경화제 : 상기 아민(amine)의 비율은 중량비 1:1 내지 1:20 인 것이 바람직할 것이다.In the step of preparing the first mixture by mixing the amine with the curing agent, the ratio of the curing agent: amine may preferably be in a weight ratio of 1: 1 to 1:20.

더욱 바람직한 것은 상기 경화제 : 상기 아민(amine)의 비율은 중량비 1:3내지 1:6 인 것이나 이에 한정되는 것은 아니다.More preferably, the ratio of the curing agent to the amine is from 1: 3 to 1: 6 by weight, but is not limited thereto.

상기 제 1 혼합물에 상기 고분자를 더 추가하여 제 2 혼합물을 제조하는 단계에서, 상기 제 1 혼합물 : 상기 고분자의 비율은 중량비 1:0.5 내지 1:1.5 인 것이 바람직할 것이다. In the step of preparing the second mixture by further adding the polymer to the first mixture, it is preferable that the ratio of the first mixture: the polymer is 1: 0.5 to 1: 1.5 by weight.

더욱 바람직한 것은 상기 제 1 혼합물 : 상기 고분자의 비율은 중량비 1:1 인 것이나 이에 한정되는 것은 아니다. More preferably, the ratio of the first mixture to the polymer is 1: 1 by weight, but is not limited thereto.

상기 제 2 혼합물을 트윈익스트루더(twin extruder)로 용융혼합하여 용융혼합물을 제조하는 단계에서, 150 ℃ 내지 250 ℃에서 용융혼합하는 것이 바람직할 것이다. In the step of melt-mixing the second mixture with a twin extruder to prepare a molten mixture, it is preferable to melt-mix at 150 ° C to 250 ° C.

더 자세히는 상기 고분자로 LDPE를 사용할 경우 작업온도는 180 ℃로 설정하여 실시하는 것이 바람직하며, 상기 고분자로 PP를 사용할 경우는 200 ℃로 설정하여 실시하는 것이 바람직하다. More preferably, when LDPE is used as the polymer, the working temperature is preferably set to 180 ° C. When PP is used as the polymer, it is preferably set to 200 ° C.

상기 트윈익스트루더(twin extruder)의 메인부 회전 속도는 250 rpm, Feeder는 85rpm으로 설정하는 것이 바람직하나 이에 한정된 것은 아니다. The rotational speed of the main section of the twin extruder is preferably set to 250 rpm and the feeder is set to 85 rpm, but is not limited thereto.

상기 용융혼합물을 냉각하여 일정 크기로 잘라 마스터 배치(master batch)를 완성하는 단계 이후에 상기 마스터 배치(master batch)에 상기 고분자를 더 추가하여 다시 트윈익스트루더(twin extruder)로 용융혼합하는 단계를 더 포함하는 것도 가능할 것이다. Adding the polymer to the master batch after the completion of the master batch by cutting to a predetermined size by cooling the molten mixture and then melt mixing the mixture with a twin extruder May be further included.

도 4는 본원 발명의 실시 예에 의한 아민 흡착제를 경화하여 제조되는 완전 유기계 이산화탄소 흡착제 제조 모식도를 나타낸다. FIG. 4 is a schematic view showing the preparation of a completely organic carbon dioxide adsorbent prepared by curing an amine adsorbent according to an embodiment of the present invention.

본원 발명의 제조 방법 중의 어느 하나의 방법으로 제조된 이산화탄소(CO2) 흡착 소재를 포함하여 제조된 이산화탄소(CO2) 흡착제는 무기계 소재를 포함하지 않는 것을 특징으로 한다. The carbon dioxide produced by the method of any one of the method of the present invention (CO 2) the carbon dioxide production, including adsorption material (CO 2) absorbent is characterized in that it does not contain an inorganic material.

즉, 경화제를 다량의 아민(amine) 내에 첨가하여 반응시킴으로써 상온에서 액체 상태를 유지하고 있는 아민(amine)를 부분 가교화 시킴으로써 고체형태의 고분자로 변형시킨다. 이렇게 아민(amine)이 고체화 되었을 경우 실리카(silica), 에어로실(AEROSIL)의 무기계 소재의 담체가 불필요하고 원하는 고분자 수지에 직접 블렌딩하여 사용이 가능하게 된다. That is, by adding a curing agent into a large amount of amine and reacting it, the amine that maintains a liquid state at room temperature is partially crosslinked to transform it into a solid polymer. When the amine is solidified, an inorganic material carrier such as silica or Aerosil is unnecessary and can be directly blended with a desired polymer resin.

이렇게 유동성 아민(amine) 고분자 체인과 에폭시작용기를 가진 경화제(Crosslinker)가 상호 반응을 통해 3차원 네트워크 구조의 경화된 아민(amine)가 형성되는데, 이때 경화제의 양을 적절히 조절함으로써 아민(amine)의 점도 및 경화도를 조절 가능하다. In this way, a cured amine of a three-dimensional network structure is formed through a mutual reaction between a fluid amine chain and a cross linker having an epoxy functional group. In this case, by appropriately controlling the amount of the curing agent, Viscosity and hardness can be adjusted.

즉, 본원 발명에 의해 제조된 이산화탄소(CO2) 흡착제는 메조기공 실리카와 같은 담체가 요구되지 않고 아민(amine)을 가교 반응시킴으로써 물과 유기 용매에 전혀 녹지 않아 용출되는 문제가 없으며, 상용고분자와의 블렌딩, 압출, 사출성형 등이 가능한 이산화탄소 흡착 소재의 제조가 가능하여 종래의 흡착제의 문제점을 모두 극복할 수 있다. That is, the carbon dioxide (CO 2 ) adsorbent produced by the present invention does not require a carrier such as mesoporous silica and does not dissolve in water and organic solvent due to the cross-linking reaction of the amine, It is possible to manufacture a carbon dioxide adsorbing material capable of performing blending, extrusion, injection molding, and the like, thereby overcoming all the problems of the conventional adsorbent.

이렇게 제도된 이산화탄소(CO2) 흡착제를 이용한 이산화탄소(CO2) 흡착 방법은 35 ℃ 내지 90 ℃ 에서 이산화탄소(CO2) 흡착하여 이산화탄소(CO2)의 흡착률이 50 % 내지 90 % 인 것을 특징으로 한다. To do this the system carbon dioxide (CO 2) adsorption method using a (CO 2) absorbent is characterized in that 35 ℃ to carbon dioxide at 90 ℃ (CO 2) adsorbed by the adsorption rate of the carbon dioxide (CO 2) is 50% to 90% do.

반응 시간은 1시간 내지 3시간으로 가장 바람직한 것은 2시간일 것이나 이에 한정된 것은 아니다. The reaction time is from 1 hour to 3 hours, most preferably 2 hours, but not limited thereto.

PEGDE(Poly(ethylene glycol)diglycidyl ether)와 PEI(Polyethylenimine)(Mn=10,000)(PEI(10K))를 다양한 조성비로 혼합하여 가교반응을 진행하였으며 그 내용은 다음과 같다. 1 g의 PEGDE와 10g의 PEI(10K)를 잘 혼합하여 80 ℃의 오븐에 넣고 24시간 동안 반응시켰다. The crosslinking reaction was carried out by mixing PEGDE (poly (ethylene glycol) diglycidyl ether) and PEI (Polyethyleneimine) (Mn = 10,000) (PEI (10K)) in various composition ratios. 1 g of PEGDE and 10 g of PEI (10K) were well mixed and placed in an oven at 80 DEG C for reaction for 24 hours.

반응이 완료된 후 메탄올을 이용하여 미반응 물질을 제거하고 진공 건조하였다. 제조된 Crosslinked PEI(C-PEI)는 FT-IR과 TGA 분석을 이용하여 분자의 구조 및 이산화탄소 흡착량을 분석하였다.After the reaction was completed, unreacted material was removed using methanol and vacuum dried. The crosslinked PEI (C-PEI) was analyzed by FT-IR and TGA analysis for molecular structure and carbon dioxide adsorption.

PEGDEPEGDE (g) (g) PEIPEI 10K (g) 10K (g) 수율(%)yield(%) 1One 33 83.583.5 55 87.887.8 66 85.485.4 77 84.184.1 1010 85.985.9 2020 78.478.4

표 1에서 PEGDE와 PEI 10K를 다양한 질량비로 혼합하여 제조된 C-PEI의 제조 결과를 정리하였다. 중량비 1:20로 제조된 CPEI를 제외한 모든 샘플이 80% 이상의 높은 수율로 얻어졌다. 1:20에서 수율이 감소한 이유는 PEGDE에 비해 PEI의 량이 상대적으로 많아 가교도가 높지 않거나 가교되지 않은 PEI가 세척단계에서 메탄올에 씻겨 나가기 때문으로 예측할 수 있다.Table 1 summarizes the production results of C-PEI prepared by mixing PEGDE and PEI 10K at various mass ratios. All samples except for CPEI prepared at a weight ratio of 1:20 were obtained in a yield of 80% or more. The reason for the decrease in yield at 1:20 is that the amount of PEI relative to PEGDE is relatively large, so that the PEI which is not highly crosslinked or crosslinked is washed away in methanol in the washing step.

이들 각각의 중량비로 제조된 C-PEI의 구조를 확인하기 위해 FT-IR 분석을 진행하였으며 도 5에 나타내었다. PEGDE의 스펙트럼에서 에폭시 작용기의 특성 피크가 908cm-1에 나타나는 것을 확인할 수 있다. FT-IR analysis was carried out to confirm the structure of C-PEI prepared at each weight ratio, and it is shown in FIG. In the spectrum of PEGDE, the characteristic peak of the epoxy functional group appears at 908 cm -1 .

이 특성 피크는 PEI과의 가교 반응을 통해 모든 샘플에서 사라진 것을 확인할 수 있다.It can be seen that this characteristic peak disappeared from all samples through a crosslinking reaction with PEI.

도 6에서 C-PEI(1:3)과 C-PEI(1:6)의 전자투과현미경(TEM) 사진을 나타내었다. 6 shows an electron transmission microscope (TEM) photograph of C-PEI (1: 3) and C-PEI (1: 6).

TEM 사진상에서 두 물질 간의 차이점을 볼 수 없으며 두 흡착제에서 확인 가능한 기공은 찾아볼 수 없다. TEM images show no difference between the two materials and no pores can be identified in the two adsorbents.

C-PEI(1:6)의 표면을 확인하기 위해 전자주사현미경(SEM) 분석을 수행하였으며 그 결과를 도 7에 나타내었다. A scanning electron microscope (SEM) analysis was performed to identify the surface of C-PEI (1: 6) and the results are shown in FIG.

SEM에서 보는 바와 같이 C-PEI(1:6)는 상당히 거친 표면을 갖고 있으며 고배율로 촬영한 경우 표면에서 기공의 흔적을 찾아보기는 어렵다. As seen in the SEM, C-PEI (1: 6) has a fairly rough surface and it is difficult to find traces of pores on the surface when photographed at high magnification.

즉, C-PEI (1:6)에는 메조기공과 같은 수십 나노 크기의 기공은 존재하지 않고 고분자 표면이 거침성의 증가에 의한 비표면적 증가를 기대할 수 있다.That is, in C-PEI (1: 6), there is no pores having a size of several tens of nanometers, such as mesopores, and the surface area of the polymer can be expected to increase by increasing the surface area.

SampleSample
NameName
PEGDEPEGDE // PEIPEI COCO 22 adsorptionadsorption MaxMax . .
(( mgmg COCO 22 / g  / g SorbentSorbent ))
COCO 22 adsorptionadsorption MaxMax . .
(( mmolmmol COCO 22 / g  / g SorbentSorbent ))
WeightWeight
compositioncomposition
(g/g)(g / g)
MolarMolar
compositioncomposition
(( molmol // molmol ))
C-C- PEIPEI (1:2) (1: 2) 0.50.5 9.5 9.5 98.4198.41 2.242.24 C-C- PEIPEI (1:3) (1: 3) 0.330.33 6.336.33 186.78186.78 4.254.25 C-C- PEIPEI (1:6) (1: 6) 0.170.17 3.17 3.17 129.28129.28 2.942.94 C-C- PEIPEI (1:10) (1:10) 0.10.1 1.9 1.9 93.1293.12 2.122.12 C-C- PEIPEI (1:20) (1:20) 0.050.05 0.95 0.95 39.5139.51 0.900.90

제조된 각 샘플에 대한 이산화탄소 흡착 성능 분석을 진행하였으며 각각의 최대 이산화탄소 흡착량을 표 2에 정리하여 나타내었다. 표 2에 나타낸 각각의 흡착 수치는 75℃의 조건에서 120분 동안 이산화탄소에 노출시켰을 경우에 측정된 값이다. C-PEI 1:3에서 g-흡착제당 186.78mg 의 이산화탄소를 흡착하고 이는 기존에 잘 알려진 메조기공 실리카에 PEI를 물리적으로 함침시킨 흡착제의 흡착량과 유사한 값으로 해석된다. The carbon dioxide adsorption performance of each sample was analyzed. The maximum amount of carbon dioxide adsorbed is shown in Table 2. Each adsorption value shown in Table 2 is a value measured when it is exposed to carbon dioxide for 120 minutes under the condition of 75 ° C. C-PEI 1: 3 adsorbs 186.78 mg of carbon dioxide per g-adsorbent, which is interpreted to be similar to the adsorption amount of the adsorbent physically impregnated with well-known mesoporous silica PEI.

도 8 에 C-PEI 1:2, 1:3 및 1:6의 시간에 따른 이산화탄소의 흡착 그래프를 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 C-PEI(1:3)의 경우 초기 20분 동안 160mg 즉 90%의 이산화탄소 흡착이 일어나는 것을 알 수 있다. FIG. 8 shows a graph of carbon dioxide adsorption over time of C-PEI 1: 2, 1: 3, and 1: 6. As shown in the figure, C-PEI (1: 3) shows 160 mg or 90% carbon dioxide adsorption during the initial 20 minutes.

이에 비해 C-PEI(1:2)의 경우는 흡착성능이 절반 수준으로 떨어지며 이는 상대적으로 많은 량의 Crosslinker(PEGDE)가 사용됨으로 인해 PEI 분자의 -NH2 작용기가 가교 반응으로 소진되어 이산화탄소의 흡착 사이트가 감소되었기 때문으로 볼 수 있다. 또한 Crosslinker가 상대적으로 적게 사용된 경우에도 낮은 흡착성능을 나타내는 것을 알 수 있다. By comparison, C-PEI (1: 2) for the adsorption performance falls to half of which is -NH 2 functional groups of the PEI molecules are relatively Crosslinker (PEGDE) of the large amount used, due to the crosslinking reaction has run out adsorption of carbon dioxide This is because the site has been reduced. Also, it can be seen that even when the crosslinker is relatively used, the adsorption performance is low.

도 9에는 C-PEI(1:3)과 C-PEI(1:6)의 이산화탄소 흡착성능을 상온(35℃)에서 측정한 그래프를 나타내었다. 그 결과 C-PEI(1:3)은 22.49mg/g-sorbent, C-PEI(1:6)은 24.23mg의 흡수 최대치를 나타내며 이는 75℃에서 측정한 결과에 비해 흡착성능이 상당히 저하되었음을 확인할 수 있다. 9 is a graph showing the carbon dioxide adsorption performance of C-PEI (1: 3) and C-PEI (1: 6) at room temperature (35 ° C). As a result, the maximum absorption value of C-PEI (1: 3) was 22.49 mg / g-sorbent and that of C-PEI (1: 6) was 24.23 mg, which indicates that the adsorption performance was significantly lower than that measured at 75 ° C .

반면 특이한 사항은 75℃에서 월등한 성능을 보였던 C-PEI(1:3)의 흡착성능이 35℃에서는 급격히 감소하여C-PEI(1:6)와 유사한 흡착값을 보이며 이는 C-PEI의 활성이 저온에서 급격히 감소되기 때문으로 생각된다. 즉 PEI(10K)와 Crosslinker의 적정 배합 비율 범위는 Crosslinker를 기준으로 3내지 6 배수의 PEI가 최적임을 알 수 있다.On the other hand, the adsorption performance of C-PEI (1: 3), which showed superior performance at 75 ° C, decreased sharply at 35 ° C and showed an adsorption value similar to that of C-PEI (1: 6) Is drastically reduced at low temperatures. In other words, the optimum mixing ratio range of PEI (10K) and crosslinker is 3 to 6 times the optimum PEI based on the cross linker.

4개의 에폭시 작용기를 가진 KDT-4400(국도)을 디메틸포름아미드(DMF)에 높은 완전히 용해될 때까지 교반시키고 PEI(Mn=10,000)(PEI(10K))는 메탄올에 용해시켜 두 용액을 혼합하여 가교 반응을 진행하였고 그 내용은 다음과 같다. 2.5g의 KDT-4400을 4g의 DMF(dimethylformamide)에 용해시키고 10g의 PEI(10K)는 메탄올 20g에 용해시킨 후 두 용액을 교반기를 이용하여 잘 혼합해준 후 80 ℃의 오븐에 넣고 24시간 동안 반응시켰다. KDT-4400 (National Highway) with four epoxy functional groups was stirred in dimethylformamide (DMF) until fully dissolved and PEI (Mn = 10,000) (PEI (10K)) was dissolved in methanol and the two solutions were mixed The crosslinking reaction proceeded as follows. 2.5 g of KDT-4400 was dissolved in 4 g of dimethylformamide (DMF), and 10 g of PEI (10 K) was dissolved in 20 g of methanol. The solutions were well mixed using a stirrer, and then placed in an oven at 80 ° C. for 24 hours .

반응이 완료된 후 메탄올을 이용하여 미반응 물질을 제거하고 진공 건조하였다. After the reaction was completed, unreacted material was removed using methanol and vacuum dried.

이후 TGA 분석을 이용하여 이산화탄소 흡착량을 측정하였다.The amount of carbon dioxide adsorption was measured using TGA analysis.

PEIPEI 10K (g) 10K (g) KDTKDT -4400 (g)-4400 (g) YieldYield (%)(%) COCO 22 adsorptionadsorption Max.  Max.
(( mgmg COCO 22 / g  / g SorbentSorbent ))
1010 1.251.25 86.686.6 100.1100.1 1.851.85 87.987.9 101.3101.3 2.52.5 88.188.1 95.495.4 3.13.1 87.987.9 89.789.7 3.753.75 86.586.5 88.188.1

표 3에서 KDT-4400과 PEI 10K를 다양한 질량비로 혼합하여 제조된 C4-PEI의 제조 결과와 최대 이산화탄소 흡착량을 정리하였다. Table 3 shows the production results of C4-PEI prepared by mixing KDT-4400 and PEI 10K at various mass ratios and the maximum carbon dioxide adsorption amount.

모든 샘플의 수율이 90%에 가깝게 나타났으며 이는 KDT-4400의 작용기가 4개이므로 PEI 10K와의 반응 확률이 높아지는 이유로 해석될 수 있다. The yield of all the samples was close to 90%, which can be interpreted as the reason that the probability of reaction with PEI 10K is high because there are four functional groups of KDT-4400.

뿐만 아니라 생성물의 형태도 PEGDE를 사용하였을 경우와는 달리 좀더 경도가 강한 고체로 얻어지며 이는 KDT-4400의 작용기 개수뿐만 아니라 분자구조상의 강건한 페닐작용기에 기인한 것으로 보인다.In addition, the form of the product is obtained as a harder solid, unlike the case of PEGDE, which appears to be attributed not only to the number of functional groups of KDT-4400 but also to the strong phenyl group on the molecular structure.

경도가 강할수록 파우더 타입으로의 분쇄가 용이하여 2차 가공에 유리한 장점을 가진다. 예를 들어 상용고분자와 내에 입자가 너무 클 경우는 컴파운딩이 잘 되지 않으며 제조되는 마스터배치의 성상에도 문제가 발생한다. The stronger the hardness, the easier it is to grind into the powder type, which is advantageous for secondary processing. For example, when the particles are too large in the commercial polymer, the compounding is not good and problems occur in the properties of the master batch to be produced.

즉 입자가 미세할수록 고분자와의 상용성이 좋으며 마스터배치를 생산하는데 유리하다. 최대 이산화탄소 흡착량의 경우 KDT-4400의 상대적 함량이 높을수록 서서히 줄어드는 경향을 나타내는 것을 볼 수 있으며 이는 에폭시와의 경화반응에 참여하는 아민의 비율이 높아지기 때문으로 해석할 수 있다. That is, the finer the particles are, the better the compatibility with the polymer and advantageous for producing the master batch. In the case of the maximum carbon dioxide adsorption amount, it is seen that the higher the relative content of KDT-4400 is, the more the amount of the amine to participate in the curing reaction with the epoxy increases.

트윈익스트루더(twin extruder)를 이용한 연속 공정으로 이산화탄소 흡착 마스터 배치를 제조하였으며 그 과정은 다음과 같다. A carbon dioxide adsorption master batch was produced by a continuous process using a twin extruder. The procedure was as follows.

도 10은 본원 발명의 실시 예에 트윈익스트루더 공정 모식도를 나타낸다.10 shows a schematic diagram of a twin extruder process in an embodiment of the present invention.

SM 플라텍(한국)의 58mm 트윈 익스트루더를 사용하였다. 제조에 사용된 고분자는 한화 케미칼의 LDPE 963과 호남석유화학의 PP J-160을 각각 사용하였다. A 58 mm twin extruder from SM Platech (Korea) was used. LDPE 963 of Hanwha Chemical and PP J-160 of Honam Petrochemical were used as the polymer used in the production.

LDPE를 사용할 경우 작업온도는 180 ℃로 PP를 사용할 경우는 200 ℃로 설정하였다. When LDPE is used, the working temperature is set at 180 ° C, and when PP is used, it is set at 200 ° C.

익스트루더의 메인부 회전 속도는 250 rpm, Feeder는 85rpm으로 설정하였다.The extruder main rotation speed was set to 250 rpm and the feeder was set to 85 rpm.

액체상태인 PEGDE 2.5 kg과 PEI 10K 15kg을 벌크상태로 용기 내에 혼합한다. 2.5 kg of PEGDE in liquid form and 15 kg of PEI 10K are mixed in bulk in a vessel.

액체상태의 혼합물 내에 파우더 타입의 폴리프로필렌(PP) 17.5kg을 넣고 반죽하듯이 잘 섞어 준다. Add 17.5 kg of powder type polypropylene (PP) into the liquid mixture and mix well.

이는 트윈익스트루더의 주입구로 혼입을 용이하게 하고 PEI10K, PEGDE 및 PP의 용융혼합이 일정하게 만들기 위한 것이다. This facilitates incorporation into the inlet of the twin extruder and makes the melt mixing of PEI10K, PEGDE and PP constant.

제조된 혼합물질을 200 ℃로 예열된 트윈익스트루더 주입구로 서서히 주입하고 250rpm의 속도로 용융혼합한다. The prepared mixed material was gradually injected into a twin extruder inlet preheated to 200 캜 and melt-mixed at a speed of 250 rpm.

트윈익스트루더에서 토출되어 나오는 용융혼합 물질을 냉각시킨 후 일정크기로 잘라 마스터배치를 완성한다. The molten mixed material discharged from the twin extruder is cooled and then cut to a certain size to complete the master batch.

완성된 마스터 배치의 색깔은 황색을 띄며 그 모양은 도 11과 같다. The color of the completed master batch is yellow and its shape is shown in Fig.

이산화탄소흡착소재와 PP가 50:50으로 혼합되어 제조된 마스터배치는 다시 트윈익스트루더를 이용하여 상용고분자와 용융혼합이 가능하다.The masterbatch prepared by mixing carbon dioxide adsorbing material and PP at a ratio of 50:50 can be melt-mixed with a commercial polymer using Twin Extruder again.

트윈익스트루더를 이용하여 C-PEI, C4-PEI의 PP 마스터 배치의 제작공정은 다음과 같다. The production process of the PP master batch of C-PEI and C4-PEI using twin extruder is as follows.

고체상태인 C-PEI를 분쇄기를 이용하여 파우더 형태로 분쇄하여 사용하였다. 잘 분쇄된 C-PEI 5 kg과 PP 5kg을 트윈익스트루더의 주입구를 잘 섞어주며 서서히 주입하고 180 ℃, 200rpm의 조건으로 용융혼합한다. The solid state C-PEI was pulverized into a powder form using a pulverizer. 5 kg of well-pulverized C-PEI and 5 kg of PP are slowly mixed with the inlet of the twin extruder and melt mixed at 180 ° C and 200 rpm.

용융혼합된 물질은 냉각과정을 거친 후 일정크기로 잘라 마스터배치를 제조하였다. C4-PEI 역시 동일한 과정으로 마스터배치를 제조하였다.The molten mixed material was cooled and then cut to a certain size to prepare a master batch. The C4-PEI master batch was also prepared by the same procedure.

본 발명을 첨부된 도면과 함께 설명하였으나, 이는 본 발명의 요지를 포함하는 다양한 실시 형태 중의 하나의 실시 예에 불과하며, 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있는 것으로, 본 발명은 상기 설명된 실시 예에만 국한되는 것이 아님은 명확하다. 따라서, 본 발명의 보호범위는 하기의 청구범위에 의해 해석되어야 하며, 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서의 변경, 치환, 대체 등에 의해 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함될 것이다. 또한, 도면의 일부 구성은 구성을 보다 명확하게 설명하기 위한 것으로 실제보다 과장되거나 축소되어 제공된 것임을 명확히 한다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it should be understood that various changes and modifications will be apparent to those skilled in the art. It is to be understood that the present invention is not limited to the above-described embodiments. Accordingly, the scope of protection of the present invention should be construed according to the following claims, and all technical ideas which fall within the scope of equivalence by alteration, substitution, substitution, Range. In addition, it should be clarified that some configurations of the drawings are intended to explain the configuration more clearly and are provided in an exaggerated or reduced size than the actual configuration.

Claims (19)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 아민(amine)의 가교 반응을 이용한 이산화탄소(CO2) 흡착 소재 제조 방법에 있어서,
(a) 아민(amine)과 경화제 및 고분자를 준비하는 단계;
(b) 상기 아민(amine)과 상기 경화제를 혼합하여 제 1 혼합물을 제조하는 단계;
(c) 상기 제 1 혼합물에 상기 고분자를 더 추가하여 제 2 혼합물을 제조하는 단계;
(d) 상기 제 2 혼합물을 트윈익스트루더(twin extruder)로 용융혼합하여 용융혼합물을 제조하는 단계;
(e) 상기 용융혼합물을 냉각하여 일정 크기로 잘라 마스터 배치(master batch)를 완성하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 아민(amine)의 가교 반응을 이용한 이산화탄소(CO2) 흡착 소재 제조 방법.
A method for producing a carbon dioxide (CO 2 ) adsorbent material using a crosslinking reaction of an amine,
(a) preparing an amine, a curing agent and a polymer;
(b) mixing the amine with the curing agent to prepare a first mixture;
(c) further adding the polymer to the first mixture to produce a second mixture;
(d) melt mixing the second mixture with a twin extruder to prepare a molten mixture;
(e) cooling the molten mixture to a predetermined size to complete a master batch;
(CO 2 ) adsorbing material using a cross-linking reaction of an amine.
청구항 8에 있어서,
상기 아민(amine)은 R1-NH2과 R1-N(R2)H 및 R1-N(R2)-R3중의 적어도 어느 하나 이상의 작용기가 함유된 아민(amine)류로 Polyethylenimine, Tetraethylenepentamine, Triethylenetetramine, Pentaethylenehexamine 및 Diethylenetriamine 중의 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것인 것
을 특징으로 하는 아민(amine)의 가교 반응을 이용한 이산화탄소(CO2) 흡착 소재 제조 방법.
The method of claim 8,
The amine is an amine containing at least one functional group selected from the group consisting of R 1 -NH 2 , R 1 -N (R 2 ) H and R 1 -N (R 2 ) -R 3. Polyethylenimine, Tetraethylenepentamine , Triethylenetetramine, pentaethylenehexamine, and diethylenetriamine.
(CO 2 ) adsorbing material using a cross-linking reaction of an amine,
청구항 8에 있어서,
상기 경화제는 다관능성 에폭시 물질로 Poly(ethylene glycol)diglycidyl ether, 1,4-Butanediyl diglycidyl ether, 3-[Bis(glycidyloxymethyl)methoxy]-1,2-propanediol, Diglycidyl 1,2-cyclohexanedicarboxylate, Bisphenol A diglycidyl ether, Tris(4-hydroxyphenyl)methane triglycidyl ether 및 Tetra-Functional Epoxy Resin(KDT-4400)의 단분자성 물질, o-Cresol Novolac, Poly(ethylene-co-glycidyl methacrylate) 및 Poly(ethylene-co-methyl acrylate-co-glycidyl methacrylate)의 공중합 고분자 물질 중의 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것
을 특징으로 하는 아민(amine)의 가교 반응을 이용한 이산화탄소(CO2) 흡착 소재 제조 방법.
The method of claim 8,
The curing agent is a polyfunctional epoxy material selected from the group consisting of poly (ethylene glycol) diglycidyl ether, 1,4-butanediyl diglycidyl ether, 3- [Bis (glycidyloxymethyl) methoxy] -1,2-propanediol, diglycidyl 1,2-cyclohexanedicarboxylate, bisphenol A diglycidyl ether, Tris (4-hydroxyphenyl) methane triglycidyl ether and Tetra-Functional Epoxy Resin (KDT-4400), o-Cresol Novolac, Poly (ethylene-co-glycidyl methacrylate) acrylate-co-glycidyl methacrylate).
(CO 2 ) adsorbing material using a cross-linking reaction of an amine,
청구항 8에 있어서,
상기 고분자는
PP(Polypropylene), HDPE(High Density Polyethylene), LDPE(Low Density Polyethylene) 및 LLDPE(Linear Low Density Polyethylene) 중의 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것
을 특징으로 하는 아민(amine)의 가교 반응을 이용한 이산화탄소(CO2) 흡착 소재 제조 방법.
The method of claim 8,
The polymer
And at least one of PP (Polypropylene), HDPE (High Density Polyethylene), LDPE (Low Density Polyethylene) and LLDPE (Linear Low Density Polyethylene)
(CO 2 ) adsorbing material using a cross-linking reaction of an amine,
청구항 8에 있어서,
상기 (b) 단계에 있어서,
상기 경화제 : 상기 아민(amine)의 비율은 중량비 1:1 내지 1:20 인 것
을 특징으로 하는 아민(amine)의 가교 반응을 이용한 이산화탄소(CO2) 흡착 소재 제조 방법.
The method of claim 8,
In the step (b)
The ratio of the curing agent: amine is 1: 1 to 1:20 by weight
(CO 2 ) adsorbing material using a cross-linking reaction of an amine,
청구항 8에 있어서,
상기 (c) 단계에서,
상기 제 1 혼합물 : 상기 고분자의 비율은 중량비 1:0.5 내지 1:1.5 인 것
을 특징으로 하는 아민(amine)의 가교 반응을 이용한 이산화탄소(CO2) 흡착 소재 제조 방법.
The method of claim 8,
In the step (c)
The ratio of the first mixture: the polymer is 1: 0.5 to 1: 1.5 by weight
(CO 2 ) adsorbing material using a cross-linking reaction of an amine,
청구항 8에 있어서,
상기 (d) 단계에서,
150 ℃ 내지 250 ℃에서 용융혼합하는 것
을 특징으로 하는 아민(amine)의 가교 반응을 이용한 이산화탄소(CO2) 흡착 소재 제조 방법.
The method of claim 8,
In the step (d)
Melting and mixing at 150 캜 to 250 캜
(CO 2 ) adsorbing material using a cross-linking reaction of an amine,
청구항 8에 있어서,
상기 (e) 단계 이후에
상기 마스터 배치(master batch)에 상기 고분자를 더 추가하여 다시 트윈익스트루더(twin extruder)로 용융혼합하는 단계를 더 포함하는 것
을 특징으로 하는 아민(amine)의 가교 반응을 이용한 이산화탄소(CO2) 흡착 소재 제조 방법.
The method of claim 8,
After the step (e)
Further adding the polymer to the master batch and further melt mixing the mixture with a twin extruder
(CO 2 ) adsorbing material using a cross-linking reaction of an amine,
삭제delete 삭제delete 이산화탄소(CO2) 흡착제에 있어서,
청구항 8 내지 15 중의 어느 하나의 방법으로 제조된 이산화탄소(CO2) 흡착 소재를 포함하며,
무기계 소재를 포함하지 않는 것
을 특징으로 하는 이산화탄소(CO2) 흡착제.
In the carbon dioxide (CO 2) absorbent,
It includes a carbon dioxide (CO 2) adsorption material prepared by any of the methods of claims 8 to 15,
Does not contain inorganic materials
(CO 2 ) adsorbent.
이산화탄소(CO2) 흡착제를 이용한 이산화탄소(CO2) 흡착 방법에 있어서,
청구항 18의 이산화탄소(CO2) 흡착제를 이용하며,
35 ℃ 내지 90 ℃ 에서 이산화탄소(CO2) 흡착하여,
이산화탄소(CO2)의 흡착률이 50 % 내지 90 % 인 것
을 특징으로 하는 이산화탄소(CO2) 흡착 방법.

In the carbon dioxide (CO 2) absorption method using the carbon dioxide (CO 2) absorbent,
(CO 2 ) adsorbent of claim 18,
Carbon dioxide (CO 2 ) is adsorbed at 35 ° C to 90 ° C,
Those having an adsorption rate of carbon dioxide (CO 2 ) of 50% to 90%
(CO 2 ) adsorption method.

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